鉛鋅冶金的用氧分析

仝一吉吉，董曉偉，包洪光

引言

我國是鉛鋅生產大國，2017年全國鉛鋅產量達1093.6萬t，約占世界鉛鋅總產量的44%，鉛、鋅產量已經分別連續16年、26年位居世界第一。近10多年來，隨著一系列新工藝、新設備在國內鉛鋅行業獲得應用，我國鉛鋅冶金工業的技術及裝備水平取得大幅提升，其突出表現之一，就是鉛鋅冶金過程越來越多地用到工業純氧或富氧空氣。鉛鋅冶金正朝著短流程、強化冶金、清潔冶金的方向發展，氧氣的應用發揮了重要作用。

1　氧氣在鉛鋅冶金中的作用

1.1　縮短冶金流程

鉛冶金基本采用火法冶金工藝。傳統鉛冶金多為“燒結——還原熔煉”工藝，流程較長。世界上各種先進的直接煉鉛工藝如閃速煉鉛、氧氣底吹煉鉛、富氧側吹煉鉛、頂吹煉鉛等，無不與使用氧氣有關。通過氧氣強化熔煉，實現含硫物料的自熱氧化和熱態氧化渣直接還原，高濃度SO2煙氣通過二轉二吸制酸工藝生產硫酸[1]。氧氣技術的應用，取消了燒結工序，縮短了冶金流程，降低了物料的機械損失，減少了有價金屬在生產流程中的周轉時間。

鋅冶金主要采用濕法冶金工藝。傳統的“焙燒——浸出”鋅冶金工藝要對硫化鋅精礦進行焙燒脫硫，再將脫硫后的鋅焙砂進行浸出。無論是鋅焙砂的常規浸出還是熱酸浸出，均需要較長的流程。而使用了氧氣的氧壓浸出工藝直接浸出硫化鋅精礦，取消了沸騰焙燒工序，使生產流程大為縮短[2]。氧壓浸出直接煉鋅工藝還可進行氧壓釜內除鐵，實現了傳統熱酸浸出工藝的浸出、除鐵兩個工序的功能。

1.2　節能環保

鉛的火法冶金過程由于使用工業純氧或富氧，冶金過程所需的鼓風量大幅減少，進而減少了煙氣量及煙氣帶走的熱量，而煙氣帶走熱一般占鉛火法冶金熱支出的30%～40%。熱收入主要來自鉛精礦中硫化物的反應熱，通過熱平衡計算分析，在使用工業純氧或高濃度富氧的條件下，當爐料中硫化物和單質硫形態的總硫量達14%以上時，硫化鉛精礦的直接熔煉即可達到熱收入與熱支出平衡，實現自熱熔煉。

氧氣使鉛冶金的煙氣量減少，煙氣SO2濃度大幅提高，可采用更加環保的兩轉兩吸制酸工藝，提高了硫的回收率。而且，煙氣量的減少也使制酸尾氣量減少，尾氣SO2排放隨之減少。徹底解決了傳統“燒結——還原熔煉”鉛冶金脫硫煙氣制酸困難、低濃度SO2的環境污染問題。氧氣的使用還減少了氮氧化物在鉛火法冶金過程中的產生量，降低了煙氣處理系統的脫硝負擔。

氧壓浸出直接煉鋅工藝的環保效果更加顯著，由于取消了沸騰焙燒工序，鋅冶金過程不再有冶煉煙氣產生，也就徹底解決了冶煉煙氣的SO2的排放污染。

1.3　提高冶金強度

鉛冶金過程由于使用氧氣，熔煉熱強度提高，爐子的床能力大幅提高。閃速煉鉛反應塔內的氧化熔煉和造渣反應在氣相中只需數秒完成，床能力可以達到60～70 t/(d·m2)。富氧側吹等熔池熔煉通過富氧氣流的強烈攪動，傳質傳熱速度加快，反應劇烈，富氧側吹爐床能力能達70～80 t/(d·m2)。閃速熔煉爐和富氧熔池熔煉爐的床能力遠遠超越傳統的燒結脫硫設備，設備和車間配置更加緊湊。

氧壓浸出煉鋅的浸出強度比傳統浸出的強度大幅提升，一段氧壓浸出時間僅為1 h～1.5 h，即可獲得98%的鋅浸出率，達到了熱酸浸出工藝經過三段浸出也難以實現的效果。

1.4　提高原料適應性，強化綜合回收效果

由于使用了氧氣，鉛冶金可以搭配更多低硫、低品位的含鉛雜料如鉛泥、鉛渣等，提高了生產系統的原料適應性。而且，氧氣的加入使火法冶金過程更容易實現對渣型的控制，意味著冶金過程可以適應更廣范圍的原料成分波動以及更少的熔劑添加量。

氧壓浸出煉鋅工藝對原料的適應性非常強，遠超傳統的“焙燒——浸出”工藝。而且，由于氧壓浸出工藝的高浸出率，其對原料中的銀、鉛、銅、銦等伴生有價金屬的綜合回收效果非常好。

2　鉛冶金用氧

2.1　采用氧氣強化冶金的鉛冶金工藝

（1）富氧側吹煉鉛

富氧側吹煉鉛是一種富氧強化熔池熔煉工藝。主體設備富氧側吹爐由爐缸、爐身、爐頂及直升煙道組成。一般在爐身的熔池區爐體兩側第一層銅水套上開設風口，安裝氧氣噴嘴。富氧側吹法煉鉛工藝具有原料適應性強、物料制備簡單、生產效率高、以煤代焦、設備密閉性好、操作環境好、煙氣量小、熔鉛分離徹底等優點，可實現連續加料、連續排渣[3]。富氧側吹煉鉛包括氧化熔煉和還原熔煉兩個過程，目前國內已有10多家煉鉛企業采用富氧側吹進行還原熔煉，還原爐渣含鉛可以降至2%以下。南方有色等企業采用富氧側吹技術進行氧化熔煉的項目也已投產，運行效果良好。

（2）氧氣底吹煉鉛

氧氣底吹煉鉛的工藝過程為：原料加入圓形臥式反應器內，從反應器底部吹入氧氣進行強化熔煉。氧氣底吹煉鉛生產工藝的最大特點是采用氧氣強化熔煉技術、簡化備料工序、縮短工藝流程[4]。與富氧側吹不同的是，國內多將氧氣底吹工藝用于氧化熔煉，個別企業在氧化熔煉、還原熔煉中均采用氧氣底吹工藝。

（3）富氧頂吹煉鉛

富氧頂吹煉鉛工藝過程為：通過頂吹浸沒噴槍向熔池渣層噴入富氧空氣、燃料，調節富氧空氣和燃料的用量并攪拌熔池，分別發生熔化、氧化、還原、造渣過程。其特點為：可在1臺爐中分階段實現氧化熔煉、還原熔煉、渣煙化，也可在2臺爐內實現連續氧化、還原熔煉；對爐料制備系統要求不嚴，可處理鉛精礦、含鉛物料、煙塵[5]。

（4）閃速煉鉛

閃速煉鉛是在一臺閃速煉鉛爐內完成鉛精礦焙燒、還原、鋅揮發過程。其優點主要是：過程連續穩定，設備壽命長，煙氣SO2含量高；煙塵率僅5%，金屬和硫回收率達98%、95%，余熱利用率高，能處理低鉛高鋅物料，可搭配處理鋅系統浸出渣，可用于鉛鋅聯合企業[6]。國內已有兩條基夫賽特（kivcet）閃速煉鉛生產線投產，生產狀況良好。

2.2　鉛冶金工藝的用氧情況

氧氣的應用情況在不同的鉛冶金工藝中有所不同，氧氣濃度、氧氣量、氧氣壓力與工藝操作條件息息相關。富氧側吹、氧氣底吹可使用高濃度富氧，而且富氧側吹的氧氣濃度調節范圍很大。富氧頂吹由于而且熔池高度高，熔體對氣流的阻力大，所以需要鼓入的富氧空氣具有更大的攪動能量，因此需要更大的鼓氣量、更低的氧濃。閃速熔煉的氧化反應是在氣相中進行的，還原反應是靜止的碳熱反應和電熱反應，反應過程不需要氣體的攪動能，所以閃速煉鉛采用氧氣濃度95%以上的工業純氧。

以10萬t/a鉛冶金規模為例，不同鉛冶金工藝的用氧情況詳見表1。

表1　不同鉛冶金工藝的用氧情況

3　鋅冶金用氧

3.1　采用氧氣強化冶金的鋅冶金工藝

（1）硫化鋅精礦氧壓浸出工藝

硫化鋅鋅礦氧壓浸出工藝是一種直接浸出煉鋅工藝，在直接浸出過程中，通過控制浸出過程的溫度、酸度、氧壓等操作條件，精礦中以硫化物形態存在的鋅在酸和氧的作用下，轉化為硫酸鋅，進入溶液，浸出過程產出的硫酸鋅溶液凈化后進行電積得到金屬鋅；精礦中的硫在浸出過程中被氧化成單質硫進入渣中，可進一步生產硫磺。氧壓浸出工藝的原料適應性廣，無SO2煙氣產生，綜合回收效果好。

（2）硫化鋅精礦常壓氧浸工藝

常壓氧浸的基本反應過程也是基于把氧氣作為強氧化劑的機理，只是浸出設備為常壓，浸出壓力低，浸出時間長達24 h[7]。常壓浸出渣中的硫也為單質硫，但沒有生產硫磺產品的工業實踐。

（3）熱酸浸出——赤鐵礦除鐵工藝

“熱酸浸出——赤鐵礦除鐵工藝”屬于一種“焙燒——浸出”工藝。在高溫（200℃）、高壓（1.8～2.0 MPa）的操作條件，通入氧氣，使溶液中的Fe2+氧化成Fe3+并以赤鐵礦（Fe2O3）形式沉淀，達到除鐵目的。赤鐵礦渣含鐵可達54%以上，渣量少，可實現鐵渣資源化。

（4）熱酸浸出——針鐵礦除鐵工藝

“熱酸浸出——針鐵礦除鐵工藝”也屬于“焙燒——浸出”工藝。在常壓下，當溶液pH為3～5時，保證溶液中一定量的Fe3+(＜1 g/L)，用氧氣或空氣緩慢將Fe2+氧化成Fe3+，鐵以針鐵礦（FeOOH）形式沉淀。其優勢是在Fe2+氧化沉鐵之前，可采用置換法、中和法富集銦等稀有金屬，有利于綜合回收。

3.2　鋅冶金工藝的用氧情況

氧壓浸出需要高純濃度的氧氣，氧含量一般要求大于98%，生產中一般采用可獲得高純度工業氧氣的深冷法制氧工藝進行供氧[8]。常壓氧浸需要氧氣濃度90%以上，由于在常壓容器中進行浸出，氧氣的利用率低，總需氧量比氧壓浸出多。氧氣在赤鐵礦除鐵及針鐵礦除鐵工藝中的作用是為了將溶液的Fe2+氧化成Fe3+，用氧量較小。

以10萬t/a鋅冶金規模為例，不同鋅冶金工藝的用氧情況詳見表2。

表2　不同鋅冶金工藝的用氧情況

4　結語

（1）近10多年來，氧氣的應用在國內鉛鋅冶金中發展迅速，徹底改變了傳統鉛鋅冶金方式。由于氧氣冶金的各種優勢，氧氣技術在鉛鋅冶金行業的推廣前景十分廣闊。

（2）不同的鉛鋅冶金工藝有不同的用氧特點，鉛鋅聯合冶金的用氧情況更加復雜。制氧裝置應針對冶金工藝的用氧特點進行選擇，有時需要將不同類型的制氧裝置進行優化組合。

（3）與鋼鐵冶金相比，氧氣技術在國內鉛鋅行業的應用時間較短，氧氣用量也較小。但基于我國鉛鋅產量占全世界產量將近一半的巨大生產規模，以及越來越嚴格的節能環保要求，氧氣在鉛鋅冶金行業轉型升級中的作用值得關注。

[參考文獻]

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